Technologies innovatrices : Energie
Chaudières industrielles de récupération de chaleur
Les chaudières de récupération de chaleur peuvent être utilisées sur toute installation comportant un procédé qui conduit à la formation d'un fluide chaud. Celui-ci peut être récupéré pour exploiter son énergie calorifique et fournir de la chaleur (pour le procédé lui-même, pour d'autres postes de l'installation, pour des installations voisines,...). Ces chaudières peuvent être utilisées par exemple sur des incinérateurs de déchets, afin de valoriser la chaleur en sortie de combustion. Un autre exemple connu d'utilisation des chaudières de récupération est la cogénération: en effet, une des variantes techniques qui permet de produire de la chaleur utilise la combinaison d'une turbine (à gaz en général) et d'une chaudière de récupération. On parle de cycle combiné lorsque la vapeur récupérée est transformée en électricité par une turbine à vapeur.
Echangeur thermique
Les axes de développement technologique sur les échangeurs techniques concernent:
- la mise au point d'équipements thermiques compacts et à haute efficacité;
- l'étude de nouvelles technologies de froid;
- la réduction des pollutions dans les systèmes énergétiques;
- les procédés de dessalement d'eau de mer.
Les échangeurs thermiques sont utilisés dans des systèmes énergétiques plus complets; pour compléter la liste précédente on peut, par exemple, citer leur utilisation dans les dispositifs utilisant l'énergie solaire thermique, pour la production d'eau chaude sanitaire.
Energie éolienne
Les éoliennes utilisent l'énergie du vent à travers des pales pour la production d'électricité. Plusieurs applications se distinguent : l'alimentation de sites non raccordés au réseau qui correspond à des machines de quelques watts à quelques kilowatts, des petites éoliennes raccordées au réseau, de quelques kilowatts à quelques centaines de kilowatts, et des grandes éoliennes dont la puissance peut dépasser le mégawatt. La mer est un lieu privilégié pour le développement de l'énergie éolienne : en effet, les espaces disponibles sont plus importants, le vent souffle plus fort et est plus régulier. Cependant, pour permettre un tel développement, la protection anticorrosion et anti foudre reste un facteur clé. Si l'éolien terrestre semble avoir un niveau de maturité certain, l'éolien "offshore" reste un secteur dont le développement technologique est en croissance.
Energie photovoltaïque
La technologie photovoltaïque permet la transformation directe de l'énergie solaire en électricité. Un système photovoltaïque comprend les cellules photovoltaïques proprement dites associées en modules et en panneaux, une batterie stockant l'électricité générée, un régulateur qui gère cette batterie et un ondulateur. Concernant les cellules, trois grandes filières sont à distinguer : la filière au silicium monocristallin, la filière au silicium poly cristallin et la filière à couches minces (silicium amorphe hydrogéné, séléniure de cuivre indium, ...). Les filières au silicium cristallin restent les principales, du point de vue de l'utilisation dans le monde; les optimisations du procédé de fabrication restent nécessaires, comme l'accès à de nouvelles sources de silicium, autres que les rebuts de l'industrie électronique. A plus long terme, la filière "couches minces" ouvre des perspectives d'utilisations nouvelles. D'un point de vue "systèmes", le développement de dispositifs pouvant se substituer à des éléments fonctionnels du bâtiment (façades, toitures, pare-soleil,...) est également une opportunité.
Energie solaire thermique
Produire de la chaleur à partir de l'énergie solaire consiste à capter le rayonnement sur une surface absorbante de couleur sombre puis à transférer cette énergie thermique à un fluide caloporteur, généralement de l'eau. L'efficacité du système est améliorée par une couverture transparente qui réduit par effet de serre les déperditions de l'absorbeur. Aux chauffe-eau solaires individuels ou collectifs, s'ajoutent les systèmes de chauffage solaire comme le plancher solaire direct, les systèmes de chauffage des piscines comme la moquette solaire et d'autres produits encore peu répandus (capteurs sous vide).
Génération d'énergie à partir de biogaz
Le biogaz est composé essentiellement de méthane, de dioxyde de carbone et, en plus faible quantité, de sulfure d'hydrogène toxique provenant de la décomposition anaérobie de matières organiques. Il provient des industries agroalimentaires, des boues de stations d'épuration et des décharges. Il existe deux sources de biogaz valorisables : les décharges et les méthaniseurs. Dans ce second cas, la production de biogaz est volontaire et maîtrisée; la qualité du biogaz produit est relativement bien contrôlée. Le biogaz de décharge, en revanche, est produit sans intervention particulière: il doit au moins être capté et brûlé pour éviter son dégagement, mais peut également être valorisé thermiquement. Il est cependant de moins bonne qualité que le biogaz produit par fermentation des boues de stations d'épuration ou de déchets de l'agroalimentaire. Le biogaz peut être valorisé sous forme de chaleur (par exemple, par combustion dans une chaudière), d'électricité (par moteur à gaz, moteur Dual Fuel, turbine à gaz, turbine à vapeur, cycle combiné ou encore pile à combustible) ou bien des deux. Afin de respecter les valeurs réglementaires et le bon fonctionnement des installations, il est toujours préférable d'épurer le biogaz et de bien choisir les matériaux. Les équipements mis au point pour la valorisation du biogaz sont pour la plupart issus de matériels plus "classiques" (pour le gaz naturel par exemple), mais modifiés pour utiliser un combustible plus "agressif" (présence de soufre et de matières corrosives notamment) et de qualité variable.
Génération d'énergie à partir de biomasse
Il s'agit de transformer en énergie ou en matière première énergétique trois grandes catégories de ressources : le bois et les déchets des industries de transformation du bois; les produits de l'agriculture et leurs déchets; les déchets urbains (effluents domestiques, boues des stations d'épuration, etc...) et les déchets du bois usagés. Les techniques mises en œuvre sont chimiques (hydrolyse et liquéfaction), biologiques (méthanisation, photosynthèse) ou encore thermochimiques (pyrolyse, gazéification et combustion). Les dispositifs en développement concernent à la fois les équipements individuels et les unités de production de chaleur et/ou d'électricité. Les technologies utilisées pour la production d'énergie à partir de biomasse découlent pour beaucoup des technologies "conventionnelles" de production d'énergie. Les matériels doivent être adaptés pour prendre en compte le caractère particulier des combustibles utilisés: de ce fait, la détention d'un savoir-faire est un point clef en matière de propriété industrielle.
Indicateurs d'efficacité énergétique
La mise au point d'indicateurs d'efficacité énergétique doit accompagner le développement technologique des systèmes de production d'énergie, ou des équipements, procédés... consommant cette énergie. Les indicateurs permettent alors d'évaluer les efforts à produire, les améliorations effectuées,... Ils peuvent être mis en œuvre à l'échelle nationale ou internationale, pour orienter les politiques énergétiques ou servir de bases dans l'élaboration des marchés d'échanges internationaux. Dans l'industrie, ils peuvent être utilisés pour établir des contrats de performances entre les fournisseurs d"utilités" et leurs clients. Ce type de contrats impose le plus souvent des performances énergétiques plus élevées et une diminution des pertes, favorables à l'environnement.
Isolation thermique
Les technologies d'isolation thermique concernent l'ensemble des domaines utilisant de la chaleur, dans l'industrie, le tertiaire ou le résidentiel. L'isolation des conduites transportant de la chaleur (réseaux de chaleur,...) est un des exemples. L'enjeu le plus important concerne probablement les bâtiments, résidentiels ou tertiaires; l'isolation thermique concerne aussi bien les bâtiments neufs que la réhabilitation. Les technologies à développer touchent les nouveaux matériaux, de nouveaux dispositifs (rupteurs de ponts thermiques,...), voire la mise en place de nouvelles techniques constructives. Dans le domaine industriel, les technologies d'isolation thermique peuvent se révéler très différentes: en effet, les techniques mises en œuvre doivent traiter des installations véhiculant des fluides à des températures allant de - 200°C à + 650°C.
Piles à combustible
Une pile à combustible (PAC) est un générateur de courant électrique qui fonctionne sur la base de réactions électrochimiques entre l'hydrogène et l'oxygène, et produit de façon continue de l'énergie électrique et de la chaleur, sans émission de polluants, ni de gaz à effet de serre lors de son utilisation. Deux types de PAC (sur les six existants) sont particulièrement prometteuses : les PEMFC (piles à membranes échangeuses de protons) et les SOFC (piles à oxyde solide). Les premières piles assemblées en France, d'une puissance de 0,5 à 5 KWe sont apparues en 2003 (applications stationnaires). Un réseau de recherche et d'innovation technologique (le réseau PACo) a été mis en place en 1999 pour développer et promouvoir cette technologie. Depuis, quelques entreprises dédiées à la pile ont été créées. Les projets de R&D en cours visent, dans les trois domaines d'application (portables, stationnaires, transports), à dépasser les verrous technologiques et à réduire les coûts de fabrication qui ne permettent pas encore d'applications en série.
Pompes à chaleur
Les pompes à chaleur utilisent les calories d'une source froide et restituent cette chaleur à une source chaude. Elles sont essentiellement utilisées dans le résidentiel, pour le chauffage des locaux (maisons individuelles). La source de calories est le sol ou l'eau contenue dans le sol; on parle alors de pompes à chaleur géothermique. La technique utilisée est de plus en plus fréquemment réversible (utilisable pour le chauffage comme pour la climatisation) et de nombreuses variantes existent : puits unique (rejet du fluide en surface) ou doublet (restitution du fluide au sous-sol), capteurs spirales enterrés à la verticale (moindre emprise au sol) ou à l'horizontale (pour récupérer la chaleur du soleil emmagasinée), sonde géothermique en U (avec l'eau glycolée injectée de l'extérieur). La pompe à chaleur peut également fournir l'eau chaude sanitaire, sous réserve d'offrir au condensateur une température d'au moins 45°C.
Systèmes de régulation, et systèmes économiseurs
Ces technologies concernent la plupart des secteurs d'activités, industriels ou non. Les systèmes de régulation ou favorisant les économies d'énergie considérés agissent soit sur les dispositifs de production d'énergie (commandes pour turbines, moteurs,...) soit sur les appareils consommant de l'énergie (ventilation contrôlée à la demande, appareils ménagers,...). La diversité des appareils concernés apparaît par exemple dans la liste des produits recevant, aux Etats-Unis, le label Energy Star: cette liste comprend 35 catégories de produits (électroménager, ordinateurs, éclairage,...). Parallèlement à l'utilisation de ces appareils, un certain nombre de pratiques peuvent être développées pour limiter les consommations d'énergie.
Systèmes de stockage de l'énergie
Ces systèmes permettent de stocker l'énergie disponible et de la restituer selon le besoin d'énergie ou de puissance. Ils sont utilisés dans les transports, l'industrie ou l'énergie. Le développement de systèmes performants de stockage de l'énergie contribuera au succès de nombreuses autres technologies de l'environnement: l'éolien ou le photovoltaïque par exemple, dont la production ne peut être régulée directement en fonction des besoins; les véhicules à motorisation hybride,...
Des exemples de ces technologies de stockage sont:
- les piles et accumulateurs;
- les piles à combustible;
- les volants d'inertie;
- les bobines supraconductrices; ...
Utilisation rationnelle de l'énergie, maîtrise de l'énergie
L'utilisation rationnelle de l'énergie regroupe un ensemble de "bonnes pratiques" destinées à réduire les consommations. Ces pratiques peuvent être mises en œuvre dans de nombreux domaines: l'habitat, l'électroménager, les transports, l'industrie,... La mise en place de ces pratiques passe par des actions de formation des particuliers et des industriels, mais également par des campagnes de sensibilisation et d'information. L'utilisation de nouvelles méthodes contractuelles dans l'industrie conduit également à une meilleure maîtrise des consommations énergétiques: ainsi, les contrats de performance passés entre les industriels et les fournisseurs d'énergie favorisent l'investissement dans des procédés moins consommateurs en diminuant les factures d'énergie. Des technologies "dures" peuvent être mises en œuvre en appui à ces pratiques: ce sont par exemple les systèmes de régulation et les systèmes économiseurs. Par ailleurs, l'utilisation de technologies de mesures et la mise en place d'indicateurs d'efficacité énergétique permettent un contrôle et un suivi des performances des systèmes, et de l'impact de la mise en place des "bonnes pratiques".
